Verfahren zur Bestimmung einer in ein Bauteil eingebrachten axialen Zugkraft

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer in ein Bauteil eingebrachten axialen Zugkraft, bei dem

- das Bauteil ortsfest fixiert wird und von einem freien Ende des Bauteils her die axiale Zugkraft in das Bauteil mittels einer Spannvorrichtung eingebracht wird, die einen Spannkörper mit einer zentralen axialen Hauptgewindebohrung und mehreren gleichmäßig entlang des Umfangs der Hauptgewindebohrung verteilt angeordneten Nebengewindebohrungen sowie Spannschrauben, die in die Nebengewindebohrungen eingedreht sind, aufweist, indem der Spannkörper auf das freie Ende des Bau ^¬ teils aufgeschraubt wird und die Spannschrauben in Richtung der ortsfesten Fixierung gegen ein ortsfestes Widerlager gespannt werden, und

- die in das Bauteil eingebrachte axiale Zugkraft bestimmt wird.

In diversen Anwendungsbereichen besteht Bedarf daran, Kräfte zu bestimmen, die in Bauteile eingebracht werden. Vor allem bei achsen-, wellen- oder bolzenförmigen Bauteilen sind die in axialer Richtung in die Bauteile eingebrachten Kräfte von besonderem Interesse.

Eine in ein Bauteil eingebrachte axiale Kraft kann zum Bei ^¬ spiel ermittelt werden, indem eine durch die Krafteinleitung hervorgerufene Verformung des Bauteils in axialer Richtung messtechnisch erfasst wird. Hierfür kommt in der Regel eine Mehrzahl von Messsensoren zum Einsatz, die in axialer Richtung entlang des Bauteils voneinander beabstandet angeordnet sind und mittels derer eine Axialstreckung und/oder Axial- Stauchung des Bauteils messtechnisch erfasst wird. Dabei be ^¬ steht das Problem, dass nicht immer repräsentative Stellen der Bauteile zugänglich sind. Eine Positionierung einer Mehr- zahl von Messsensoren an unterschiedlichen axialen Positionen stellt sich daher teilweise als schwierig dar.

Die Bestrebungen sind dahin gegangen, diese Nachteile auszu- räumen. Aus der DE 10 206 679 beispielsweise ist ein Verfah ^¬ ren bekannt, bei dem die in eine Achse oder Welle einge ^¬ brachte axiale Kraft ermittelt wird, indem ein ringförmiger Messkörper, der sich an seinen beiden Stirnseiten an radial zueinander versetzten Anlageflächen abstützt, der axialen Kraft ausgesetzt wird. Der ringförmige Messkörper erfährt in ^¬ folge dessen eine Biegeverformung, die mittels Dehnmessstrei ^¬ fen messtechnisch erfasst wird. Aus der erfassten Deformation des ringförmigen Messkörpers wird auf die axiale Kraft ge ^¬ schlossen .

Das bekannte Verfahren hat sich zur Messung besonders geringer axialer Kräfte bewährt. Es besteht jedoch auch Bedarf da ^¬ ran, größere axiale Kräfte z.B. im Bereich einiger Meganewton oder mehr zu messen.

Die Messung größerer Kräfte kann beispielsweise bei Gasturbi ^¬ nenanlagen von Interesse sein. Bei Zugankern, über welche die Rotorscheiben in axialer Richtung gegeneinander verspannt werden, sollte über die gesamte Betriebsdauer hinweg eine korrekte Zugankerspannung eingestellt sein, vor allem, um die Drehmomentübertragung und die mechanische Integrität des Ro ^¬ tors auch in Störfallsituationen zu gewährleisten.

Bei der ersten Inbetriebnahme einer neuen Anlage kann die Zugankerspannung durch definiertes hydraulisches Recken mit bekannter Kraft sowie über die elastische Längung des Zug ^¬ ankers erhalten werden. Im Laufe der Betriebsdauer der Gasturbine kann es wünschenswert sein, die Zugankerspannung zu kontrollieren.

Konkret ist der Zuganker, auf den die Rotorscheiben der Gasturbine aufgeschoben sind, an seinem einen Ende ortsfest fi ^¬ xiert und von seinem freien Ende her wird eine axiale Zug- kraft in den Zuganker eingebracht, indem beispielsweise eine klassischen Mutter auf ein an dem freien Ende des Zugankers vorgesehenes Außengewinde aufgeschraubt und in Richtung der ortsfesten Fixierung des Zugankers gegen ein ortsfestes Wi- derlager verspannt wird. Der Aufbau einer Gasturbinenanlage mit Zuganker kann u.a. dem Fachbuch „Stationäre Gasturbinen" von Ch. Lechner und J. Seume, Springer-Verlag 2003, ISBN 3- 540-42831-3 entnommen werden. Da bei klassischen Muttern das Drehmoment, welches benötigt wird, um diese anzuziehen, mit zunehmender Größe der Muttern in erheblichem Maße ansteigt, kommen zur Verspannung von Bauteilen, für welche vergleichsweise große Muttern erforderlich sind, u.a. zur Verspannung von Zugankern in Gasturbinenan- lagen, anstelle der klassischen Muttern teilweise weiterent ^¬ wickelte Spannvorrichtungen zum Einsatz. Diese Spannvorrichtungen weisen einen in der Regel zylinderförmigen Spannkörper mit einer zentralen axialen Hauptgewindebohrung und mehrere gleichmäßig entlang des Umfangs der Hauptgewindebohrung ver- teilt angeordnete Nebengewindebohrungen sowie mehrere in die Nebengewindebohrungen eingedrehte Spannschrauben auf. Zum Verspannen eines Bauteils wird der Spannkörper auf das freie Ende des Bauteils aufgeschraubt. Zur Verspannung wird dann jedoch nicht der Spannkörper weiter gedreht, sondern es wer- den die Spannschrauben in Richtung der ortsfesten Fixierung des Bauteils gegen ein ortsfestes Widerlager verspannt.

Eine derartige Spannvorrichtung kann in Verschraubungen mit großen Durchmessern die hohen Vorspannkräfte aufnehmen und diese auf die einzelnen Spannschrauben verteilen. Eine Ausführungsform einer derartigen Spannvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 699 37 246 T2 bekannt. Die Spannvorrichtun ^¬ gen mit mehreren Spannschrauben sind auch unter der Abkürzung MJT bekannt (englisch: Multi Jackbolt Tensioner).

Es ist bekannt, zur Bestimmung der Vorspannkraft, die mittels Spannvorrichtungen mit mehreren Spannschrauben in ein Bauteil eingeleitet werden, die an jeder einzelnen Spannschraube an- liegende Vorspannkraft zu bestimmen und die einzelnen Werte aufzusummieren, um die resultierende Vorspannkraft zu erhal ^¬ ten. Die Vorspannkraft an jeder einzelnen Spannschraube kann über eine Differenzmessung der Schraubenlänge in einem ver- spannten und einem unverspannten Zustand ermittelt werden. Hierzu wird über einen an jedem Schraubenkopf vorgesehenen Sensor ein Ultraschallsignal in die jeweilige Schraube eingekoppelt, am unteren Ende der Schraube reflektiert und von dem Sensor wieder aufgenommen. Aus dem Laufzeitunter- schied des Ultraschallsignales kann die Längenänderung und aus dieser wiederum die Vorspannkraft erhalten werden.

An dem bekannten Verfahren zur Bestimmung der Vorspannkraft wird teilweise als nachteilig erachtet, dass jede einzelne Spannschraube mit einem eigenen Sensor ausgerüstet sein muss und daher eine spezielle Ausrüstung zum Einsatz kommen muss. Hiermit ist neben dem größeren Aufwand auch ein nicht unerheblicher Kostenaufwand verbunden. Auch ist die Genauigkeit bei dieser Vorgehensweise, bei der eine Vielzahl von Einzel- messungen durchgeführt und anschließend die einzelnen Werte aufsummiert werden, nicht immer zufriedenstellend.

Aus der JP S57161526 A ist eine Messvorrichtung zur Bestimmung einer Spannung in einem Bolzen bekannt, bei der ein Mag- netfeldsensor eingesetzt wird. Hierzu wird der Magnetfeldsensor seitlich an einem Schraubenkopf einer Schraube ange ^¬ bracht. In Abhängigkeit von der Spannung in der Schraube kann eine Änderung des Magnetfeldes ermittelt werden. Somit kann ausgehend von den ermittelten Messwerten die Spannung in der Schraube bestimmt werden.

Wenngleich die vorherige Methode ein einfaches Verfahren zur Bestimmung einer Spannung in einem Bolzen bereitstellt, so können jedoch viele Störgrößen, insbesondere bei komplexen Geometrieen - wie dies in aller Regel bei einem Rotor einer

Gasturbine der Fall ist - einen unkalkulierbaren Einfluss auf das Messergebnis haben. Aus der US 4,246,780 A ist ein weiteres Messverfahren zur Be ^¬ stimmung der Spannung in einer Welle bekannt, wobei auf der Welle ein Ring mit Dehnungsmessstreifen angebracht wird. Bei einer Antriebswelle einer Schiffsschraube führt die Torsion zu einer Umfangsvergrößerung der Welle, welche über die Dehnungsmessstreifen ermittelt werden kann. Somit kann auf die Torsionsspannung in der Welle geschlossen werden.

Für den vorgesehenen Anwendungsfall ist die zuvor angegebene Messanordnung jedoch dahingehend problematisch, als dass die Messung unmittelbar innerhalb des unter Spannung stehenden Bereichs erfolgen muss. Dieser ist jedoch bei einem Zuganker eines Rotors einer Gasturbine nicht zugänglich. Weiterhin kann durch das zuvor angegebene Verfahren nur die Torsion zu- verlässig bestimmt werden.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass es eine besonders einfache, kostengünstige und robuste Bestimmung ei ^¬ ner in ein Bauteil eingeleiteten axialen Kraft ermöglicht. Dabei soll das Verfahren insbesondere auch die Bestimmung vergleichsweise großer Kräfte ermöglichen, die beispielsweise in der Größenordnung mehrerer Meganewton liegen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass

- eine Verformung des Spannkörpers quer zu dessen axialer Richtung erfasst wird, und

- aus der Verformung des Spannkörpers die in das Bauteil ein ^¬ gebrachte axiale Zugkraft bestimmt wird.

Es hat sich gezeigt, dass bei Spannvorrichtungen mit einem Spannkörper, in den mehrere Spannschrauben eingedreht sind, infolge einer Krafteinwirkung in axialer Richtung eine Verformung des Spannkörpers quer zu der axialen Richtung auftritt. Der Spannkörper erfährt unter axialer Belastung u.a. eine nach außen gerichtete Stülpverformung, die repräsentativ für die Gesamtkraft auf den Spannkörper ist. Erfindungsgemäß wird diese Verformung des Spannkörpers in Querrichtung er- fasst und aus der Verformung wird die in das Bauteil einge- brachte axiale Zugkraft ermittelt.

Die erfindungsgemäße Betrachtung der Verformung in Querrichtung bietet die Vorteile, dass sich die betrachtete Messgröße gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Einzelmes- sungen an jeder Spannschraube vergleichsweise stark ändert und eine hohe relative Messgenauigkeit erzielt werden kann. Der Außendurchmesser des Spannkörpers kann sich beispielsweise um bis zu einigen 1/10% relativ dehnen und diese Ände ^¬ rung kann ohne Probleme messtechnisch erfasst werden.

Das elastische Verhalten des Spannkörpers und dessen geomet ^¬ rische Abmessungen unterliegen keiner nennenswerten Alterung, so dass das erfindungsgemäße Verfahren auch ideal geeignet ist, um über längere Zeiträume, insbesondere über mehrere Jahre hinweg zuverlässige Werte für eine in ein Bauteil ein ^¬ gebrachte axiale Zugkraft zu liefern.

Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine mittlere Verformung des Spannkörpers erfasst werden, die re- präsentativ für die axiale Gesamtkraft ist und zwar auch dann, wenn die Deformation des Spannkörpers entlang seines Umfanges aufgrund einer unterschiedlichen Belastung der

Spannschrauben nicht gleichmäßig ist. Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner nicht erforderlich, dass das Bauteil über seine axiale Erstreckung frei zugänglich ist, da allein der Spannkörper der Spannvorrichtung zur Bestimmung der Zugkraft zugänglich sein muss. Kommt das erfindungsgemäße Verfahren zur Zugkraft- bestimmung des Zugankers einer Gasturbinenanlage zum Einsatz, so ist insbesondere ein Ausbau des Rotors nicht erforderlich. Gleichzeitig ist das erfindungsgemäße Verfahren mit ver ^¬ gleichsweise geringem Aufwand durchführbar und verursacht keine erheblichen Kosten. Es ist nicht, wie im Stand der Technik erforderlich, dass jede Spannschraube der Spannvor- richtung eine spezielle Ausstattung aufweist.

Die Verformung des Spannkörpers der Spannvorrichtung in Querrichtung kann zum Beispiel unter Verwendung eines Dehnungssensors, wie einem Dehnmessstreifen messtechnisch erfasst werden. Andere Vorgehensweisen, z.B. eine einfache Längenmes ^¬ sung des Außenumfangs des Spannkörpers an einer vorgegebenen axialen Position sind ebenfalls möglich.

Um aus der erfindungsgemäß erfassten Verformung des Spannkör- pers quer zur axialen Richtung die in das Bauteil eingelei ^¬ tete axiale Kraft zu bestimmen kann eine unter bekannten Kraftbedingungen aufgenommene Kalibrierkurve herangezogen werden, welche Werten einer Verformung, beispielsweise Werten einer Längenänderung des Außendurchmessers des Spannkörpers oder Werten eines Widerstandes eines Dehnmessstreifens eine entsprechende axiale Zugkraft zuordnet. Auch ist es prinzipi ^¬ ell möglich, den Zusammenhang zwischen der Verformung des Spannkörpers und der eingebrachten Zugkraft über mathemati ^¬ sche Modelle zu berechnen bzw. zu simulieren.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Verformung des Spannkörpers an we ^¬ nigstens einer vorgegebenen axialen Position an dem Spannkörper erfasst wird.

Insbesondere wird die Verformung an einer axialen Position in demjenigen axialen Endbereich des Spannkörpers erfasst, wel ^¬ cher in Richtung der ortsfesten Fixierung des Bauteils weist. In demjenigen axialen Endbereich des Spannkörpers, welcher der ortsfesten Fixierung des Bauteils zugewandt ist kann die Verformung quer zur axialen Richtung besonders geeignet erfasst werden. In diesem axialen Endbereich des Spannkörpers ist die Verformung quer zur axialen Richtung am ausgeprägtesten .

In zweckmäßiger Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah- rens wird eine Verformung des Außenumfangs des Spannkörpers erfasst. Da im Bereich des Außenumfangs des Spannkörpers eine nahezu ideal einachsige radiale Dehnung auftritt, ist dieser Bereich besonders geeignet, um für das erfindungsgemäße Ver ^¬ fahren betrachtet zu werden. Kommt ein Dehnmessstreifen zur Erfassung der Verformung zum Einsatz, so treten keine Querempfindlichkeiten auf, also keine Empfindlichkeiten quer zu der Messrichtung in Umfangsrichtung des Außendurchmessers des Spannkörpers auf und die Messwerte sind besonders zuverläs ^¬ sig. Auch eine Verformung des Innenumfangs des Spannkörpers kann prinzipiell erfasst werden, hier treten jedoch mehrachsige Spannungs zustände auf.

Die Verformung des Spannkörpers kann beispielsweise mittels eines Dehnungssensors, insbesondere eines Dehnmessstreifens erfasst werden, der an dem Spannkörper vorgesehen ist oder an dem Spannkörper angeordnet wird.

Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Verformung des Spannkörpers mittels eines Dehnmessstreifens erfasst wird, der sich entlang des Außenumfangs des Spannkörpers, insbesondere entlang des gesamten Außenumfangs des Spannkör ^¬ pers erstreckt. Der Dehnungssensor kann sich beispielsweise über eine ringförmige Fläche entlang des Außenumfangs des Spannkörpers erstrecken. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich der Dehnmesssensor entlang des gesamten Außenumfangs des Spannkörpers erstreckt.

Der Dehnmessstreifen kann an dem Spannkörper angeordnet werden oder aber dieser ist unmittelbar an dem Spannkörper vor- gesehen. In vorteilhafter Ausgestaltung ist ein Dehnmessstreifen an dem Spannkörper vorgesehen, indem dieser unmittelbar auf dieses aufgesputtert ist. Das Aufsputtern bietet den Vorteil, dass kein Klebstoff zur Fixierung des Dehn- messstreifens an dem Spannkörper zum Einsatz kommen muss, der über längere Zeiträume in seiner Haftkraft nachlassen kann.

Ein im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsatz kommender Dehnmessstreifen kann beispielsweise durch eine

Schicht aus NiCr oder Ni-DLC auf Si02 oder DLC (diamantähnlicher Kohlenstoff) gebildet sein.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Verformung des Außenumfangs des Spannkörpers erfasst wird, indem ein Messring, des ^¬ sen Durchmesser einstellbar ist und entlang dessen Außenumfang ein Dehnmessstreifen vorgesehen ist, an einer vorgegebenen axialen Position auf den Spannkörper aufgespannt wird, und ein Wert für die Deformation des Dehnmessstreifens aufge ^¬ zeichnet und insbesondere mit einem Referenzwert verglichen wird .

Der Dehnmessstreifen erstreckt sich in vorteilhafter Ausge- staltung um den gesamten Umfang des Messrings. Auch bei dem

Messring kann ferner vorgesehen sein, dass der Dehnmessstreifen auf diesen aufgesputtert ist, um die mit der Verwendung eines Klebstoffes verbundenen Nachteile zu vermeiden. Alternativ zu der Verwendung eines Messrings mit Dehnmess ^¬ streifen kann die Verformung des Außenumfangs des Spannkörpers auch erfasst werden, indem ein Messring, dessen Durchmesser mittels einer Mikrometerschraube einstellbar ist und der eine Längenskala aufweist, an einer vorgegebenen axialen Position auf den Spannkörper aufgespannt wird, und ein Längenwert abgelesen und insbesondere mit einem Referenzwert verglichen wird.

Die Verwendung eines Messrings, also eines von dem Spannkör- per unabhängigen weiteren Bauteils zur messtechnischen Erfassung der Verformung des Spannkörpers bietet den Vorteil, dass der Spannkörper keinerlei Ausstattung aufweisen muss. Das erfindungsgemäße Verfahren kann mittels eines Messrings an je- der bestehenden Spannvorrichtung auf besonders einfache Weise durchgeführt werden.

Der Messring wird insbesondere auf eine vorgegebene Tangenti- alspannung auf den Spannkörper aufgespannt, um besonders zu ^¬ verlässige Messwerte zu erhalten.

Um auf den Spannkörper aufgespannt zu werden, weist der Mess ^¬ ring zweckmäßiger Weise ein Spannelement, beispielsweise eine Spannfeder oder eine Schraube auf. Der Messring ist in zweckmäßiger Weise als offener Ring ausgebildet, dessen Enden mittels des Spannelementes aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden können, um den Durchmesser des Messrings verändern und diesen auf den Spannkörper der Spannvorrichtung auf- spannen zu können.

Der Messring kann beispielsweise aus Teflon, Kaptonfolie oder Nomexfolie gefertigt sein. In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Verformung des Außenumfangs des Spannkörpers erfasst wird, indem

- der Messring an einer axialen Referenzposition in dem axialen Endbereich des Spannkörpers, welcher in Richtung des freien Endes des Bauteils weist, auf den Spannkörper aufge ^¬ spannt wird,

- an der axialen Referenzposition auf der Skala des Messrings ein Längenwert abgelesen wird oder an der axialen Referenzposition ein Wert für die Deformation des Dehnmessstreifens erfasst wird,

- der an der axialen Referenzposition abgelesene Längenwert als Längen-Referenzwert abgespeichert wird oder der an der axialen Referenzposition erfasste Wert für die Deformation als Deformations-Referenzwert abgespeichert wird,

- der Messring gelöst und in Richtung der ortsfesten Fixierung des Bauteils verschoben und an wenigstens einer axialen Messposition auf den Spannkörper aufgespannt wird,

- an der wenigstens einen axialen Messposition auf der Skala des Messrings ein Längenwert abgelesen wird oder an der we ^¬ nigstens einen axialen Messposition ein Wert für die Deformation des Dehnmessstreifens erfasst wird, und

- die Differenz zwischen dem Längenwert an der axialen Refe- renzposition und dem Längenwert an der wenigstens einen axia ^¬ len Messposition ermittelt wird oder die Differenz zwischen dem Wert für die Deformation des Dehnmessstreifens an der axialen Referenzposition und dem Wert für die Deformation des Dehnmessstreifens an der wenigstens einen axialen Messposi- tion ermittelt wird.

Die Verformung des Spannkörpers kann gemäß dieser Ausführungsform beispielsweise erfasst werden, indem der Messring einmal in dem von der ortsfesten Fixierung des Bauteils angewandten Endbereich des Spannkörpers auf diesen aufgespannt und diese axiale Position als Referenzposition betrachtet wird. Die Deformation des Dehnmessstreifens an dieser Stelle oder der an dem Messring abgelesene Längenwert an dieser axialen Position wird dann als Referenzwert, insbesondere als Nullwert gewählt, da die Deformation des Spannkörpers hier am geringsten bzw. null ist. Dabei wird zweckmäßiger Weise eine axiale Position gewählt, die so nah wie möglich an der dem freien Ende des Bauteils zugewandten Stirnseite des Spannkör ^¬ pers liegt, um die Position mit der geringsten Verformung als Referenz zu nutzen.

Anschließend wird der Messring gelöst, axial in Richtung der ortsfesten Fixierung des Bauteils verschoben und an einer anderen axialen Position, die der ortsfesten Fixierung des Bau- teils näher liegt, erneut auf den Spannkörper aufgespannt und es wird die Deformation des Dehnmessstreifens bzw. ein Län ^¬ genwert an dieser axialen Messposition erfasst. Dabei kann nur an einer axialen Messposition die Deformation bzw. ein Längenwert erfasst werden oder dies geschieht an mehreren axialen Messpositionen, wobei dann ein Vergleich der an dem

Messpositionen erfassten Werte beispielsweise jeweils mit dem Referenzwert erfolgt oder die an jeweils benachbarten Mess ^¬ stellen erfassten Werte miteinander verglichen werden. Als Wert für die Deformation des Dehnmessstreifens wird ins ^¬ besondere in an sich bekannter Weise ein Widerstandswert des Dehnmessstreifens erfasst.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Messring an wenigstens einer axialen Messposition auf den Spannkörper aufgeschraubt wird, die in demjenigen axialen Endbereich des Spannkörpers liegt, welcher in Richtung der ortsfesten Fixierung des Bauteils weist.

Insbesondere für den Fall, dass nur ein Referenzwert an der axialen Referenzposition und ein Messwert an einer axialen Messposition erfasst wird, liegt die eine axiale Messposition zweckmäßiger Weise so nah wie möglich an dem der ortsfesten Fixierung des Bauteil zugewandten Ende des Spannkörpers, wo die Verformung quer zur axialen Richtung den größten Ausschlag aufweist. Werden an mehreren axialen Messpositionen Werte erfasst, liegt in vorteilhafter Ausgestaltung wenigs- tens eine axiale Messposition möglichst nahe an diesem Ende.

Eine geeignete axiale Position nahe dem der ortsfesten Fixie ^¬ rung zugewandten Ende des Spannkörpers ist beispielsweise in axialer Richtung einen Millimeter oder wenige Millimeter von diesem Ende des Spannkörpers entfernt.

Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass eine Spannvorrichtung verwendet wird, welche einen Spannkörper mit einer zylindrischen Grundform aufweist, entlang dessen Zylinderachse sich die Hauptgewindebohrung erstreckt. Diese Form hat sich für den Spannkörper bewährt.

Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass eine Spannvorrichtung verwendet wird, welche einen Spannkör- per aufweist, durch welchen sich die Nebengewindebohrungen axial oder im Wesentlichen axial erstrecken. Schließlich kann vorgesehen sein, dass die in einen Zuganker einer Gasturbine eingeleitete axiale Kraft bestimmt wird und insbesondere aus der in den Zuganker eingeleiteten axialen Kraft die mechanische Spannung des Zugankers in axialer Rich- tung berechnet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei ^¬ spielsweise durchgeführt werden, um die axiale Zugkraft in dem Zuganker einer Gasturbine zu ermitteln. Dabei kann es sich insbesondere um einen zentralen Zuganker in einer Gasturbinenanlage handeln.

Prinzipiell kann das erfindungsgemäße Verfahren bei beliebi ^¬ gen Bauteilen zum Einsatz kommen, in die mittels einer Spannvorrichtung mit einem Spannkörper und mehreren Spannschrauben eine axiale Zugkraft eingebracht wird. Da die Spannvorrich- tungen mit Spannkörper und mehreren Spannschrauben herkömmliche Muttern ersetzen können, ist die Anwendung für alle Bereich denkbar, in denen auch mit herkömmlichen Muttern eine axiale Zugkraft in ein Bauteil eingebracht wird. Beispiels ^¬ weise kann die in einen Bolzen eingebrachte axiale Kraft er- findungsgemäß bestimmt werden, der zusammen mit einer Spannvorrichtung mit Spannkörper und mehreren Spannschrauben einen Flansch zusammendrückt.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wer- den anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist

Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Spann- Vorrichtung mit einem Spannkörper und einer Mehr- zahl von Spannschrauben im unverspannten Zustand;

Figur 2 eine Außenansicht des Spannkörpers der in Figur 1 dargestellten Spannvorrichtung in schematischer Darstellung;

Figur 3 eine Aufsicht auf den Spannkörper aus Figur 2; Figur 4 eine schematische Schnittdarstellung des zentralen Zugankers einer Gasturbinenanlage, welcher mit der in Figur 1 dargestellten Spannvorrichtung in axialer Richtung verspannt ist,

Figur 5 eine Schnittdarstellung des in Figur 4 dargestellten verspannten Spannkörpers;

Figur 6 eine Aufsicht auf den in Figur 4 dargestellten

Spannkörper im verspannten Zustand für einen Fall stark ungleichmäßiger Krafteinleitung durch die Spannschrauben in schematischer Darstellung;

Figur 7 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Messrings mit einer Schraube, entlang dessen

Außenumfang ein Dehnmessstreifen vorgesehen ist;

Figur 8 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Messrings mit einer Spannfeder, entlang dessen Außenumfang ein Dehnmessstreifen vorgesehen ist;

Figuren die Verfahrensschritte einer Ausführungsform des 9 - 12 erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer in ein Bauteil eingebrachten axialen Zugkraft.

Die Figur 1 zeigt eine Spannvorrichtung 1 mit einem zylinderförmigen Spannkörper 2, in dem eine zentrale axiale Hauptge ^¬ windebohrung 3 und mehrere gleichmäßig entlang des Umfangs der Hauptgewindebohrung 3 verteilt angeordnete axiale Neben ^¬ gewindebohrungen 4 vorgesehen sind. Die Hauptgewindebohrung 3 erstreckt sich entlang der Zylinderachse Z des zylinderförmigen Spannkörpers 2 durch diesen. Der Durchmesser der Hauptgewindebohrung 3 ist deutlich größer als der der Nebengewinde- bohrung 4. Konkret ist er mehr als viermal so groß wie der Durchmesser der Nebengewindebohrungen 4. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind, wie den Dar ^¬ stellungen in der Figuren 2 und 3 entnommen werden können, die den Spannkörper 2 der in Figur 1 dargestellten Spannvorrichtung 1 in der Außenansicht zeigen, insgesamt neun axiale Nebengewindebohrungen 4 in dem Spannkörper 2 vorgesehen, die gleichmäßig um die zentrale Hauptgewindebohrung 3 angeordnet sind .

In jede Nebengewindebohrung 4 ist eine Spannschraube 5 einge- dreht, die jeweils in axialer Richtung zu beiden Seiten aus dem Spannkörper 2 herausragt. An dem in Figur 1 nach oben weisenden Enden der Spannschrauben 5 ist jeweils ein Schraubenkopf 6 vorgesehen, von dem in an sich bekannter Weise ein in den Figuren nicht dargestelltes geeignetes Werkzeug zum Herein- und Herausdrehen der Spannschrauben 5 aufgenommen werden kann.

Der Spannkörper 2 der Spannvorrichtung 1 ist auf das an dem freien Ende eines in der Figur 1 nur partiell dargestellten zentralen Zugankers 7 einer in den Figuren nicht erkennbaren Gasturbinenanlage vorgesehenes Außengewinde 7a aufgeschraubt. Der zentrale Zuganker 7 und der auf diesen aufgeschraubte Spannkörper 2 sind in der schematisch Darstellung in Figur 4 zu erkennen.

Der zentrale Zuganker 7 ist an seinem in der Figur 4 nach unten weisenden Ende ortsfest fixiert, indem er in die vordere Hohlwelle 8 der Gasturbinenanlage eigeschraubt ist. Auf den Zuganker 7 ist in an sich bekannter Weise eine Mehrzahl von Rotorscheiben aufgeschoben, die in der Figur 4 nicht dargestellt sind. Die Figur 4 zeigt lediglich in schematischer Darstellung die Rotortrommel T, welche alle Rotorscheiben und die hintere Hohlwelle umfasst. Die Rotorscheiben werden mit ^¬ tels des Zugankers 7 parallel zueinander gehalten und mittels der Spannvorrichtung 1 gegeneinander gepresst. Hierzu sind die Spannschrauben 5 der Spannvorrichtung 1 in Richtung der ortsfesten Fixierung des Zugankers 7 in der Hohlwelle 8 gegen eine zwischen dem Spannkörper 2 und den Rotorscheiben lie- gende, nur in der Figur 1 erkennbaren Druckscheibe 9 aus be ^¬ sonders harten Material verspannt, die als ortfestes Wider ^¬ lager dient. Infolge eines Hereindrehens der Spannschrauben 5 in die Nebengewindebohrungen 4 in dem Spannkörper 2 wird der Abstand zwischen der als ortsfestes Widerlager dienenden Druckscheibe 9 und dem auf den Zuganker 7 aufgeschraubten Spannkörper 2 erhöht und infolge dessen eine axiale Zugkraft in den Zuganker 7 eingebracht. Diese in den zentralen Zuganker 7 eingebrachte axiale Zug ^¬ kraft sollte einem definierten Wert entsprechen, um einen sicheren Betrieb der Gasturbinenanlage zu gewährleisten. Vor der erstmaligen Inbetriebnahme der Anlage kann die in den Zuganker 7 eingebrachte axiale Kraft auf einen vorbestimmten Wert eingestellt werden. Im Laufe der Betriebsdauer der Gasturbinenanlage kann es wünschenswert sein, die Zugankerspan ^¬ nung zu kontrollieren. Zur Bestimmung der in den Zuganker 7 eingebrachten axialen Kraft wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt.

Erfindungsgemäß wird eine Verformung des Spannkörpers 2 der Spannvorrichtung 1 quer zur axialen Richtung erfasst und aus der Verformung des Spannkörpers 2 in Querrichtung wird die in den Zuganker 7 eingebrachte axiale Zugkraft bestimmt.

Im verspannten Zustand unterliegt der Spannkörper 2 infolge der einwirkenden axialen Kraft einer Verformung quer zur axialen Richtung, konkret einer Stülpverformung. Der Figur 5, welche eine Schnittdarstellung des Spannkörpers 2 aus Figur 4 in vereinfachter Darstellung ohne Nebengewindebohrungen 4 und ohne Spannschrauben 5 zeigt, kann diese Verformung quer zur axialen Richtung, also quer zur Zylinderachse Z entnommen werden. In der Figur 5 ist die Querverformung zur Verdeutlichung besonders ausgeprägt dargestellt. Dass die Kraft in axialer Richtung eine Verformung des Spannkörpers 2 quer dazu verursacht ist in der Figur 4 durch entsprechende Pfeile rein schematisch angedeutet. Zur messtechnischen Erfassung der Verformung des Spannkörpers 2 quer zur Zylinderachse Z ist bei der dargestellten Ausführungsform ein Dehnmessstreifen 10 an dem Spannkörper 2 vorgesehen. Konkret erstreckt sich der Dehnmessstreifen 10, wie in den Figuren 2 und 3 erkennbar, über eine ringförmige Fläche entlang des gesamten Außenumfanges des Spannkörpers 2 und zwar in demjenigen axialen Endbereich des Spannkörpers, welcher der ortsfesten Fixierung des Zugankers 7 in der Hohlwelle 8 zugewandt ist. Der Dehnmessstreifen 10 ist auf den Spannkörper 2 aufgesputtert .

Infolge der Deformation des Spannkörpers 2 in dem in Figur 5 dargestellten Zustand hat der Dehnmessstreifen 10 in an sich bekannter Weise einen anderen Widerstand als in einem

unverspannten Zustand, in welchem der Spannkörper 2 nicht aufgestülpt ist. Diese Widerstandsänderung ist ein Maß für die Deformation des Spannkörpers 2. Unter Verwendung einer Kalibrierkurve, die zuvor für bekannte axiale Kraftwerte auf ^¬ genommen wurde, kann der messtechnisch registrierten Verfor- mung, also bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dem er- fassten Widerstandswert des Dehnmessstreifens 10, ein Wert für die axiale Kraft zugeordnet werden. Die Erfassung des Wi ^¬ derstandswertes und die Bestimmung der axialen Kraft erfolgen in an sich bekannter Weise in einer in den Figuren nicht dar- gestellten Mess- und Auswerteeinrichtung, die mit dem Dehnmessstreifen verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Bestimmung der axialen Kraft über die Messung der Verformung des Spannkörpers 2 mittels Dehnmess- streifen 10 kann zu beliebigen Zeitpunkten durchgeführt werden. Der Spannkörper 2 ist problemlos zugänglich. Eine Entfernung des Rotors der Gasturbine ist für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht erforderlich. Das elastische Verhalten und die geometrischen Abmessungen des Spannkörpers 2 unterliegen praktisch keiner nennenswerten Alterung, so dass auch über mehrere Jahre hinweg, insbesondere über die gesamte Betriebsdauer der Gasturbinenanlage hinweg zuverlässige Messwerte mittels des Dehnmessstreifens 10 erhalten werden könne. Da der Dehnmessstreifen 10 auf den Spannkörper 2 aufgesputtert ist, hält dieser besonders zuver ^¬ lässig auch über einen längeren Zeitraum und die mit Kleb- Stoffen verbundene Nachteile, insbesondere eine unerwünschte Ablösung des Dehnmessstreifens 10 von dem Spannkörper 2, werden vermieden.

Insbesondere entlang des Außenumfangs des Spannkörpers 2 ist die Verformung des Spannkörpers 2 nahezu ideal radial. Es treten kaum Einflüsse durch eine Querempfindlichkeit des Dehnmessstreifens 10, also einer Empfindlichkeit quer zu der vorgesehenen Messrichtung in Umfangsrichtung des Außenumfangs des Spannkörpers 2 auf, so dass besonders zuverlässige Mess- werte erhalten werden.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei mit gegenüber den bekannten Verfahren geringerem Aufwand und somit geringeren Kosten verbunden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass mittels nur einen Dehnmessstreifens 10 eine mitt ^¬ lere Verformung des Spannkörpers 2 erfasst werden kann, die repräsentativ für die Gesamtkraft ist und zwar auch dann, wenn wie in Figur 6 dargestellt, die Deformation des Spannkörpers 2 entlang seines Außenumfanges aufgrund einer unter ^¬ schiedlichen Belastung der Spannschrauben 5 nicht gleichmäßig ist. In der Figur 6 ist die ungleichmäßige Verformung des Spannkörpers zur Veranschaulichung überzeichnet dargestellt.

Alternativ zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei dem eine Spannvorrichtung 1 mit einem Spannkörper 2 verwendet wird, auf den ein Dehnmessstreifen 10 unmittelbar aufgesputtert ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch unter Verwendung einer von dem Spannkörper 2 separaten Messvorrichtung, konkret eines Messrings 11 durchgeführt werden. In den Figuren 7 und 8 ist jeweils eine schematische Darstel ^¬ lung einer Ausführungsform eines Messrings 11 dargestellt, der für das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommen kann. Der Messring 11 ist als offener Ring ausgestaltet, des- sen Enden jeweils mittels eines Spannelementes aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden können, um den Durchmesser des Messrings 11 einzustellen. An dem Außenumfang beider Messringe 11 ist ferner ein Dehnmessstreifen 10 vorgesehen, der sich über den gesamten Außenumfang des jeweiligen Mess- rings 11 erstreckt. Jeder der beiden dargestellten Messringe 11 ist aus Teflon gefertigt.

Die beiden in den Figuren 7 und 8 dargestellten Messringe 11 unterscheiden sich nur hinsichtlich des Spannelementes, das vorgesehen ist, um den Messring 11 auf den Außenumfang des Spannkörpers 2 der Spannvorrichtung 1 mit mehreren Spannschrauben 5 aufzuspannen.

Während der in Figur 7 dargestellte Messring 11 eine Schraube 12 zum Spannen auf den Spannkörper 2 aufweist, die sich durch zwei Öffnungen in den Endbereichen des offenen Messrings 11 erstreckt, ist bei dem in Figur 8 dargestellten Messring 11 zwischen zwei von den beiden Endbereichen des offenen Ringes abragenden Vorsprüngen 13 eine Spannfeder 14 vorgesehen, die in der Figur 8 nur durch einen Doppelpfeil schematisch angedeutet ist.

Der Messring 11 kommt zum Einsatz, um erfindungsgemäß die Verformung des Spannkörpers 2 einer Spanneinrichtung 1 mit mehreren Spannschrauben 5 zu erfassen. Der Messring 11 ermöglicht die Erfassung der Verformung in Querrichtung auch bei Spannkörpern 2, die nicht mit einem Dehnmessstreifen versehen sind . Die Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines Messrings wird im Folgenden anhand der Figuren 9 bis 12 erläutert. In einem ersten Schritt wird der Messring 11, welcher wahlweise gemäß Figur 7 mit einer Schraube 12 oder gemäß Figur 8 mit einer Spannfeder 14 versehen sein kann, auf den Spannkörper 2 von außen aufgeschoben (vgl. Figur 9) und an einer axi- alen Referenzposition in demjenigen axialen Endbereich des Spannkörpers 2 auf diesen aufgespannt, der in Richtung des freien Endes des Zugankers 7 weist (vgl. Figur 10 und 11) . Der Zuganker 7 ist in den Figuren 9 bis 12 nicht dargestellt. Wie in den Figuren 4 und 5 weist das freie Ende des in den Figuren 9 bis 12 nicht dargestellten Zugankers 7 nach oben. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die axiale Referenzposition, wie in Figur 1 erkennbar, unmittelbar an dem nach oben weisenden Ende des Spannkörpers 2. Der Spannvorgang des Messrings 11 auf den Spannkörper 2 ist in Figur 10 schematisch mit einem Pfeil angedeutet.

Kommt ein Messring 11 gemäß Figur 7 zum Einsatz, so wird dieser auf den Spannkörper 2 von außen aufgespannt, indem die Schraube 12 weiter rein gedreht wird, so dass die beiden End ^¬ bereiche des offenen Messrings 11 weiter aufeinander zubewegt werden, wodurch der Durchmesser des Messrings 11 verkleinert wird . Unter Verwendung des Messrings gemäß Figur 8 muss die Spann ^¬ feder 14 zusammengedrückt werden, um den Durchmesser des Messrings 11 zu vergrößern und den Messring 11 in dieser Stellung axial an dem Spannkörper 2 positionieren zu können. Ist der Messring 11 an der axialen Referenzposition angeord- net, kann die Spannfeder 14 freigegeben werden, wodurch die beiden Vorsprünge 13 auseinandergedrückt und infolge dessen der Durchmesser des Messrings 11 verkleinert und auf den Spannkörper aufgespannt wird. Der Messring 11 wird vorzugsweise auf eine vorgegebene Tan- gentialspannung auf den Spannkörper aufgespannt, um besonders zuverlässige Messwerte zu erhalten. An der axialen Referenzposition wird im aufgespannten Zustand des Messrings 11 die Deformation des an dem Messring 11 vorgesehenen Dehnmessstreifen 10, insbesondere ein entsprechender Widerstandswert des Dehnmessstreifens 10 erfasst. Dieser Wert wird als Widerstands-Referenzwert , insbesondere als

Nullwert abgespeichert, da die Deformation an der axialen Re ^¬ ferenzposition am geringsten bzw. null ist.

Der Messring 11 wird anschließend gelöst und in Richtung der ortsfesten Fixierung des Zugankers 7, also in den Figuren 9 bis 12 nach unten verschoben und an einer ersten axialen Messposition auf den Spannkörper 2 aufgespannt. Die erste axiale Messposition pi ist in der Figur 12 an der obersten gestrichelt dargestellten Kontur des Messrings 11 zu erken- nen.

An der ersten axialen Messposition pi wird erneut ein Wert für die Deformation des Dehnmessstreifens 10, konkret ein Wi ^¬ derstandswert erfasst und abgespeichert.

Im Anschluss daran wird an zwei oder mehr weiteren axialen Messpositionen, die in der Figur 12 mit P2 bis p _n bezeichnet sind, jeweils ein Widerstandswert aufgenommen und abgespei ^¬ chert .

Aus dem (axialen) Verlauf der Widerstandswerte kann die De ^¬ formation des Spannkörpers 2 und aus dieser wiederum die in den Zuganker 7 eingebrachte axiale Zugkraft ermittelt werden, was beispielsweise unter Verwendung von zuvor erstellten Kalibrierkurven möglich ist.

Alternativ dazu, dass an mehreren axialen Positionen an dem Spannkörper 2 Widerstandswerte erfasst werden kann auch nur eine einzelne Messung in dem in den Figuren 9 bis 12 nach un- ten weisende Endbereich des Spannkörpers 2 durchgeführt wer ^¬ den, beispielsweise an der in der Figur 12 dargestellten Position des Messrings 11. Liegt bereits ein Referenzwert, ins ^¬ besondere ein Nullwert vor, so kann auch aus dem Vergleich des einzelnen Messwertes mit dem Referenzwert die Deformation des Spannkörpers 2 und aus dieser die axiale Kraft ermittelt werden . Auch ist es möglich, genau zwei Messungen, eine Referenzmes ^¬ sung an dem in den Figuren 9 bis 12 oberen Ende des Spannkörpers 2 und eine Messung an dem in den Figuren 9 bis 12 unteren Ende des Spannköpers 2, durchzuführen. Die Erfassung der Widerstandswerte des an dem Messring 11 vorgesehenen Dehnmessstreifens 10 und die Bestimmung der axi ^¬ alen Kraft erfolgen wiederum in an sich bekannter Weise in einer in den Figuren nicht dargestellten Mess- und Auswerteeinrichtung, die mit dem Dehnmessstreifen 10 an dem Messring 11 verbunden ist.

Unter Verwendung eines Messrings 11 kann das erfindungsgemäße Verfahren an den Spannkörpern 2 sämtlicher bereits im Betrieb befindlicher Spannvorrichtungen 1 durchgeführt werden, ohne dass eine Nachrüstung der Spannvorrichtungen 1 nötig wäre.

Ein weiterer Vorteil eines Messrings 11 besteht darin, dass die axiale Richtung spannungsfrei ist, wodurch ausgeschlossen wird, dass der Dehnmessstreifen 10 infolge von Querempfind- lichkeiten verfälschte Signale liefert.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge- schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .